扳手體多工序車削機床的虛擬設計?

金 燕，王海平

（1.常州工程職業技術學院機械工程技術系，江蘇 常州 213164；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083；3.江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引言

傳統的專用機床設計往往待樣機制造出來后，再通過試驗確定相關參數，不僅周期長，而且隨意性大，既延長了機床的研發周期，又增加了研制費用。隨著三維CAD/CAE/CAM技術的應用與普及，三維設計已經逐步取代了傳統的二維機械設計。本文將系統地介紹應用SolidWorks軟件［1－2］設計扳手體多工序車削機床的過程和方法。

1 扳手體多工序車削機床三維造型和裝配

1.1 設計要求

本機床用于扳手體頭部加工，扳手體零件材料為45鋼，其結構示意圖如圖1所示。加工工序為車削，主要加工內容有Φ26.5±0.5外圓、Φ14外圓、Φ26.5和Φ14間的斜臺階面以及孔口1×45°和2×30°倒角及孔口面。

1.2 物理參數設計

根據工件的加工要求，選擇工件大頭六角內孔和Φ12外圓定位，同時Φ12端面夾緊。由于工件屬于細長軸類型，為減小工件的變形，選擇立式加工。

查閱相關資料［3］，根據切削要求，同時考慮到多刀加工，為提高機床可靠性及刀具耐用度，確定本機床切削三要素如下：進給量f＝0.2mm/r，切削速度v＝50 m/min，切削深度ap＝2.5mm。

1.2.1 外圓表面切削力和切削功率計算

圓周切削力Fc采用如下指數公式計算：

圖1 扳手體結構示意圖

切削功率為：

1.2.2 臺階錐面切削力和切削功率計算

刮削臺階錐面時，圓周切削力計算公式為：

其中：SZ為每齒進給量；B為切削寬度；σb為材料強度極限。

功率計算公式為：

加工工件時，機床轉速n＝120r/min，每齒進給量SZ＝0.05mm/齒，切削寬度B＝7.6mm。代入式（3）、式（4）計算得，FX＝1 617N，PX＝0.2kW。

車削端面、倒角和車削上方臺階的切削力和切削功率在此不再計算，總切削力通過主切削力的2.5倍估算，總功率通過圓柱面和臺階面切削功率之和的1.5倍估計得出。因此，總功率P為1.5kW，總切削力為4 023.45N。

1.3 機床三維造型

根據分析計算，確定機床主要零件的尺寸并進行三維建模，如圖2所示。

1.4 整體裝配

各零部件完成造型之后，利用SolidWorks軟件提供的測量質量特性進行質量、面積、體積的測量，并完成慣性力矩的計算。根據機床的實際裝配關系將已經造型好的各零部件進行裝配，裝配完成之后，對整體進行動態的間隙檢測和干涉檢查，從而驗證整個設計的正確性［4－5］。

整體裝配后的機床三維模型如圖3所示 。經過以上檢驗，證實機構設計完全正確。

本機床主軸支承采用滾動軸承結構，前軸承為滾錐軸承背對背安裝，后支承采用圓柱滾子軸承，具有很好的徑向剛度。工件由液壓油缸進行夾緊，在夾緊機構中設置一彈簧機構以保證夾緊力的恒定。左、右刀架的進給裝置通過液壓調速閥實現進給速度的調節。刀架的進給軸采用滾動直線導軌支承，進給靈敏、可靠，并且采用了雙導軌結構，剛性好，完全滿足了加工要求。

圖2 機床主要零部件三維模型

2 應力計算

利用SolidWorks為用戶提供的COSMOSXpress軟件可以對整個設計進行應力分析。在計算機上進行有限元分析，取代了昂貴并費時的實地測試，大大降低了產品成本，縮短了開發時間［6］。通過理論計算確定機床受力，選擇材料，添加載荷和約束對所關注的零件進行分析。圖4、圖5是本次設計刀架的應力和位移的分析結果。從分析結果看，原設計符合加工要求，刀架具有足夠的強度和剛度。

圖3 機床三維模型

圖4 刀架的應力分析云圖

圖5 刀架的位移分析云圖

3 動畫仿真

通過SolidWorks為用戶提供的COSMOS/motion軟件可以在計算機構成的虛擬環境中進行機械產品的裝配，并通過計算機動畫技術對其進行運動模擬。在機械產品的虛擬裝配設計與運動仿真過程中，可以及時發現產品結構中的干涉和運動機構的碰撞等問題，具有經濟性、安全性和可視性等特點［7］。

在實際操作過程中，我們還可以根據機床的實際運動情況模擬實際運動，對相關運動副加以約束，實現機構真實的運動仿真，進行動態干涉檢查。同時輸出速度、加速度、位移、力矩等曲線圖以及機構運動的影視文件。

4 結論

本文從參數計算、三維設計、應力分析、動態仿真4個方面對多工序車削機床的設計過程進行了介紹，用SolidWorks軟件建立模型，然后運用相關軟件進行應力分析，進一步調整尺寸，優化設計，最終得到最優的機床模型。設計過程直觀、形象、真實，大大提高了設計效率，同時避免了試制過程中大量的設計更改，保證了設計質量，對此類產品的設計起到了拋磚引玉的作用。

［1］王謙.基于SolidWorks軟件的吊鉤分析［J］.煤礦機械，2011，32（10）：130－131.

［2］武東志.基于三維軟件的錨桿機試驗臺的設計和應用［J］.技術與創新管理，2008，29（4）：404－410.

［3］張振寰.機械加工工藝設計實用手冊［M］.北京：航空工業出版社，1993.

［4］王四新，郭海艷.基于SolidWorks軟件的搖擺試驗臺設計［J］.CAD/CAM 與制造業信息化，2005（4）：53－54.

［5］張坤，龐運海.SolidWorks在轉爐爐帽設計中的應用［J］.現代制造技術與裝備，2011（4）：32－33.

［6］宋占明，金燕.SolidWorks在螺桿空壓機主機設計中的應用［J］.壓縮機技術，2007（1）：21－23.

［7］趙永軍，王得勝.SolidWorks在裝載機工作裝置設計中的應用［J］.工程機械，2010，41（2）：46－48.